[發明專利]一種服務質量保障的大規模MIMO安全傳輸方法

有效

• 申請號: 201811341208.4
• 申請日: 2018-11-12
• 公開（公告）號: CN109347527B
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 尤力;陳旭;王聞今;楊濟源;徐振;吳體昊;仲文;高西奇
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04B7/0426
• 分類號: H04B7/0426;H04B7/06;H04B17/382
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 孟紅梅

本發明提出一種服務質量保障的大規模MIMO安全傳輸方法，該方法中小區基站配置大規模天線陣列，并通過波束賦形生成覆蓋整個小區的大規模波束集合。小區基站根據小區合法用戶和非法竊聽用戶的波束域統計信道狀態信息，對波束域發送給各個合法用戶的信號進行服務質量保障的波束域功率分配。其中，波束域功率分配基于Majorization?minimization過程和確定性等同方法，通過迭代求解凸優化問題獲得波束域最優功率分配矩陣。該功率分配結果隨著波束域統計信道信息的變化而動態更新。本發明方法能夠有效保證多播無線通信的安全性，保障小區各用戶的服務質量，并且能顯著降低服務質量保障的安全無線傳輸實現復雜度。

技術領域

本發明屬于通信領域，具體涉及一種利用大規模天線陣列且能夠保障服務質量的安全傳輸方法。

背景技術

大規模多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技術可以大幅提高無線通信系統的頻譜效率和功率效率，適應不斷增長的無線業務需求，吸引了學術界和產業界的廣泛關注，成為5G通信最具發展前景的技術之一。

由于無線介質的廣播性質，如何確保信息的安全傳輸成為無線通信亟待解決的問題。隨著計算機解密運算能力的不斷提升，傳統的網絡層加密方法已經不再可靠。作為加密方法的一種補充或代替，物理層安全方法從信息論的角度出發，旨在提高無線通信系統的安全性。

傳統的物理層安全傳輸方法以最大化系統信息傳輸和速率為目標，這樣做可能導致部分信道條件較差的用戶無法進行正常通信，基本的服務質量不能得到保障。

在大規模MIMO安全通信過程中需要對給不同用戶的發送信號進行設計。對于此類功率分配問題往往非凸，很難得到全局最優解，并且當基站側天線數量較大時求解的實現復雜度很高。為此，本發明提出一種服務質量保障的利用統計信道信息的低復雜度大規模MIMO波束域安全無線傳輸方法。

發明內容

發明目的：本發明的目的是提供一種利用大規模天線陣列和統計信道狀態信息，考慮場景中存在竊聽用戶的保障服務質量的安全無線傳輸方法。

技術方案：為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為：

一種服務質量保障的大規模MIMO安全傳輸方法，包括以下步驟：

(1)小區基站配置大規模天線陣列，基站通過模擬多波束賦形或數字多波束賦形或模擬與數字混合波束賦形的方法生成能夠覆蓋整個小區的波束集合，并在生成的波束上與目標用戶進行通信；

(2)基站獲取小區中合法用戶和非法竊聽用戶的波束域統計信道狀態信息，構建服務質量保障的安全傳輸功率分配優化問題，利用Majorization-minimization過程和確定性等同方法對優化問題進行求解，并對發送給各用戶的信號進行功率分配；

(3)在小區中各用戶移動過程中，隨著基站與各用戶之間統計信道狀態信息的變化，基站側動態更新服務質量保障的安全傳輸功率分配結果。

所述步驟(1)中基站生成能夠覆蓋整個小區的大規模波束集合實現空間資源的波束域劃分，基站在同一時頻資源上與小區合法用戶進行通信，該通信的過程在波束域上實施；

所述步驟(2)中基站利用小區中合法用戶和非法竊聽用戶的波束域統計信道狀態信息對發送信號進行功率分配。由于非法竊聽用戶偽裝成多播用戶組中的合法用戶，在上行信道探測階段，所以用戶發送上行探測信號，基站根據接收到的探測信號，估計出實施用戶波束域功率分配或波束選擇所需的波束域統計信道狀態信息，構建并求解服務質量保障的安全傳輸功率分配優化問題。該優化問題目標函數為最大化系統最小用戶安全傳輸速率下界，優化變量為發送給各合法用戶的信號協方差矩陣，約束條件為各發送信號協方差矩陣之和滿足功率約束；其中用戶安全傳輸速率下界為合法用戶信息傳輸速率與非法竊聽用戶對該合法用戶信號的竊聽速率上界的差值；